在氫能利用途徑中，制氫是前提。我國是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，其中，達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約1200萬噸。在制氫環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)制氫以化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫為主，太陽能制氫、生物質(zhì)制氫等技術(shù)處于研究和示范階段。按照碳排放量的不同來分類，氫能制備可分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。

灰氫：氫能產(chǎn)業(yè)起步階段

制備技術(shù)成熟，但長期不可取

定義：一般來說，利用化石能源如煤炭等制取的氫氣，制備過程會產(chǎn)生大量一氧化碳、二氧化碳、甲烷等碳排放產(chǎn)生，故將其稱之為灰氫。

國家能源集團(tuán)以煤化氣制氫碳排量為基準(zhǔn)來確定特定限值即以煤化氣制氫的碳排放量29.02 kg CO?/kgH?為基準(zhǔn)。

工藝：灰氫制備技術(shù)成熟，通過氣化技術(shù)將煤炭轉(zhuǎn)化為合成氣，再經(jīng)水煤氣變換分離處理以提取氫氣。

優(yōu)缺點(diǎn)：制備方法成本較低，操作方法簡便，所需設(shè)備較少，可滿足大規(guī)?；茪湟螅菄鴥?nèi)生產(chǎn)的主要?dú)錃忸悇e，缺點(diǎn)是在制取過程中會排放大量二氧化碳污染環(huán)境，目前所生產(chǎn)的氫能基本全部用于工業(yè)領(lǐng)域。

發(fā)展趨勢：盡管在當(dāng)下的技術(shù)條件下，灰氫制取已規(guī)?；?，但由于生產(chǎn)過程排放大量二氧化碳污染環(huán)境，被視為不完全清潔的“灰氫”，因此長期來看灰氫路徑并不可取。

藍(lán)氫：氫能產(chǎn)業(yè)過渡階段

存在局限性，短期具備發(fā)展空間

定義：藍(lán)氫，是在灰氫制備過程中采用無碳的技術(shù)手段，通常指生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的的溫室氣體排放值低于14.51kg CO?e/kgH?。

工藝：主要由天然氣等化石燃料產(chǎn)生而來，通過碳捕捉、碳封存等技術(shù)進(jìn)行處理所得，是氫能產(chǎn)業(yè)的過渡階段。

優(yōu)缺點(diǎn)：藍(lán)氫具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢，一是電力需求較低，第二是融入了碳捕獲與儲存（CCS）技術(shù)。因此區(qū)別于灰氫，藍(lán)氫的生產(chǎn)無需以可再生能源的強(qiáng)勁增長作先決條件，并且生產(chǎn)過程碳排放量較低。但由于藍(lán)氫制取的資本支出和運(yùn)營成本高昂，需要有天然氣供應(yīng)，且CCS技術(shù)需要相對罕見的地質(zhì)條件，因此藍(lán)氫推廣受限。

發(fā)展趨勢：作為一種能源策略，藍(lán)氫只有在有可能無限期地長期儲存二氧化碳，而不泄漏回大氣的前提下才能被稱為清潔能源，實(shí)際上藍(lán)氫只是在向綠氫過渡階段的產(chǎn)物，從成本角度看，也很難有持續(xù)性降低。

綠氫：氫能產(chǎn)業(yè)終極形態(tài)

2030年左右電解水制氫將成有效供氫主體

定義：綠氫則是可再生能源通過電解水方式制備的氫氣，通常指生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的的溫室氣體排放值低于4.90 kg CO?e/kgH?。

優(yōu)缺點(diǎn)：其制備過程環(huán)保無碳，且氫氣純度高、雜質(zhì)含量少，但受到目前技術(shù)及制造成本限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要時(shí)間。

工藝：電解水制氫是目前最主要的制取綠氫的方法，在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，即可分解成氫氣和氧氣，整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)零排放，具有工藝簡單、無污染、氫氣純度高等優(yōu)勢，是氫能的終極形態(tài)。

發(fā)展趨勢：水電解制氫技術(shù)作為制取氫氣的重要方法，尤其利用可再生能源電解制氫是目前規(guī)?；迫【G氫的唯一方法，具有廣闊的市場前景。

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，到2030年氫氣年均需求約3500萬噸，煤制氫配合CCS技術(shù)，可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體。目前水電解制氫主要有三種技術(shù)路線，分別為堿性電解水制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）和固體氧化物電解水制氫（SOE）。

PEM電解水是綠氫最佳制備方式

在水電解制氫的三種技術(shù)路線中，堿性電解水制氫是目前規(guī)模最大、商業(yè)化程度最高的電解水制氫技術(shù)，國內(nèi)單臺最大產(chǎn)氣量為1000立方米/小時(shí)，其生產(chǎn)成本較低，然而其受限于電流密度低、動態(tài)響應(yīng)差，導(dǎo)致其產(chǎn)氫速率低、與可再生能源適配性差。

固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解能效最高，但其所需高溫條件和啟動慢等劣勢嚴(yán)重限制其應(yīng)用場景，尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、恒定電解質(zhì)濃度、波動能源適應(yīng)性強(qiáng)、冷啟動快等優(yōu)點(diǎn)，非常適合以風(fēng)能、太陽能等可再生能源產(chǎn)生的波動能量為基礎(chǔ)，形成動態(tài)、高效、清潔的氫氣制備工藝，將電能轉(zhuǎn)化為氫能高效儲存實(shí)現(xiàn)未來全球能源脫碳，因此是制氫的最佳結(jié)合方式。目前國內(nèi)單臺質(zhì)子交換膜電解槽最大產(chǎn)氣量為50立方米/小時(shí)，因使用貴金屬電催化劑等材料成本偏高，尚未規(guī)模化應(yīng)用。

我國PEM電解水技術(shù)正從研發(fā)向工業(yè)化過渡

中國僅有三個(gè)商業(yè)化規(guī)模的電解水制氫項(xiàng)目

2020年寶豐能源集團(tuán)投產(chǎn)建設(shè)的太陽能電解水制氫綜合示范項(xiàng)目為是目前已知全球單廠規(guī)模最大和單臺產(chǎn)能最大的電解水制氫項(xiàng)目，具備年產(chǎn)3萬標(biāo)方/小時(shí)綠氫產(chǎn)能。該項(xiàng)目是目前中國僅有的三個(gè)商業(yè)化規(guī)模的電解水制氫項(xiàng)目之一,其它兩個(gè)分別是殼牌在中國啟動的2萬千瓦電解水制氫項(xiàng)目和位于河北1萬千瓦的海珀?duì)栱?xiàng)目。

目前PEM水電解制氫已邁入10 MW級別示范應(yīng)用階段，100 MW級別的PEM電解槽處于開發(fā)階段。整體PEM制氫技術(shù)正在從研發(fā)走向工業(yè)化階段，商業(yè)化程度也越來越成熟，在國外已被大規(guī)模地應(yīng)用于鋼鐵廠等行業(yè)進(jìn)行脫碳。

綠氫的大規(guī)模應(yīng)用或?qū)⒃?035-2040年實(shí)現(xiàn)

圍繞2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，在能量轉(zhuǎn)化以及二氧化碳處理和資源化利用過程中最為關(guān)鍵的就是氫，而經(jīng)濟(jì)有效的通過電解水制氫則是規(guī)模化應(yīng)用的前提。

目前可再生能源電解水制氫仍面臨成本高的問題。其中電力成本約占綠氫可變成本的60%，因此，獲得成本低廉、供應(yīng)充足的可再生能源為電解槽提供電力顯得至關(guān)重要。

近日，大連化物所燃料電池系統(tǒng)科學(xué)與工程研究中心研制的兆瓦級PEM水電解制氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，率先打通了綠色降本路徑，為大規(guī)模綠色氫能綜合利用新模式的示范奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著世界各國加大對可電解槽能耗的提升以及投資增加，推動成本持續(xù)降低，綠氫的大規(guī)模應(yīng)用或?qū)⒃?2035-2040 年實(shí)現(xiàn)。

綠氫是未來

綠氫是氫能利用的理想形態(tài)，在能源轉(zhuǎn)型中被寄予厚望。盡管目前制氫原料多以化石能源為主，綠氫占比較低，但中國已具備大規(guī)模生產(chǎn)“綠氫”的潛力。

若要在“十四五”時(shí)期實(shí)現(xiàn)非化石能源占整體能源結(jié)構(gòu)19%的目標(biāo)，利用風(fēng)能、太陽能低成本優(yōu)勢進(jìn)而加快裝機(jī)速度，或可每年增加53GW的風(fēng)能裝機(jī)容量和每年58GW的太陽能裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)綠氫生產(chǎn)并出口，助力雙碳目標(biāo)的達(dá)成。

不僅如此，利用可再生能源生產(chǎn)綠氫，在一定程度上解決了能源浪費(fèi)問題即“棄光，棄風(fēng)，棄水”的問題，使得可再生能源不再僅依靠電網(wǎng)進(jìn)行消納，同時(shí)還可平衡電網(wǎng)穩(wěn)定性，具有多方面協(xié)同效應(yīng)，“綠氫時(shí)代”已是大勢所趨。